CN102403376A - 含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有硅量子点的 n-i-p 异质结太阳能电池及其制备方法，其特征在于：在N型单晶硅衬底和P型非晶硅层之间是含有直径为1～6nm的硅量子点的氮化硅薄膜层，所述太阳能电池含有的依次相叠的各层为：Ag/Al栅形电极（7）；ZnO:Al透明导电薄膜（6）；P型非晶硅层（5）；含有硅量子点的氮化硅薄膜层（4）；N型单晶硅基片（3）；ZnO:Al透明导电薄膜（2）；Al金属膜背电极（1）。此电池结构简单，光谱响应范围宽，开路电压高，光生电流大，制备步骤与现有的工艺相兼容。本发明为提高现有的硅基太阳电池转换效率提供了一种很好的解决方法。

Description

含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种异质结太阳能电池及其制备方法，具体涉及一种含有硅量子点的异质结太阳能电池及其制备方法，属于纳米材料和太阳能电池技术领域。
背景技术
20世纪，以化石燃料为主的能源利用对人类的生存与发展起到了关键性的作用。但在现有技术下，化石能源的大量使用既给地球环境造成了严重危害，也使人类的生存空间受到了极大的威胁。太阳能清洁无污染、取之不尽用之不竭，既可免费使用，又无需运输，符合未来新能源发展要求。太阳能产业近年在我国发展迅速。
自1954年贝尔实验室报道第一个商品化的Si太阳能电池以来，各种太阳能电池相继问世。太阳能电池从第一代单晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池到第三代高效太阳能电池，其制作成本逐步降低，转换效率不断提高。其中第一代第二代太阳能电池已经在市场上广泛应用，第三代电池仍处于发展中。
量子点太阳能电池，属于第三代太阳能电池。与传统硅基太阳能电池材料不同，硅量子点的典型尺寸为1~10nm。其荷电载流子的运动在三维方向上均受到强烈限制，存在明显的量子尺寸效应，这导致半导体硅的电子能带结构变化，特别是能带间隙随量子点尺寸呈现规律性变化。在高密度的量子点群中，尺寸小的量子点可以吸收高能量范围的太阳光，因此量子点的尺寸变化就可以改变光的吸收波长，提高和太阳光谱的整体匹配程度。这使得量子点太阳能电池可大大提高光电转化率，与目前最流行的多晶硅。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池具有太阳光谱吸收范围宽、量子产额大和光电转换效率高的特点。
本发明的技术方案是：一种含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池，其特征在于：在N型单晶硅衬底和P型非晶硅层之间是含有硅量子点的氮化硅薄膜层，所述太阳能电池含有的依次相叠的各层为：
Ag/Al栅形电极，作为正面引出电极；
ZnO:Al透明导电薄膜（P层上），起透光作用并作为正面引出电极；
P型非晶硅层；
含有硅量子点的氮化硅薄膜层；
N型单晶硅基片，作为太阳能电池的基区；
ZnO:Al透明导电薄膜（N层下），阻挡金属Ag或Al与单晶硅N层间的互扩散；
Al金属膜背电极，作为背面引出电极，其特征在于：
ZnO:Al透明导电薄膜（P层上）厚度在50~120nm之间；P型非晶硅层厚度在15~25nm之间；含有硅量子点的氮化硅薄膜层中，氮化硅薄层厚度在20～50nm之间，硅量子点直径在1～6nm之间；N型单晶硅基片厚度在280～320um之间，ZnO:Al透明导电薄膜（N层下）厚度在80~150nm之间。
如上所述的含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池，其特征在于：N型单晶硅基片上带有金字塔绒面；基片厚度在280～320um之间，金字塔的平均高度在3～8um之间。绒面结构，由于入射光在表面多次反射和折射，增加了光的吸收，提高电池效率。
上述含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池的制备方法，包括下述步骤： 
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35～0.38ml和1.56～1.86ml；N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75～85℃恒温水浴内保持45～55分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片；
（3）对N型单晶硅基片实施NH3等离子体处理5～10分钟，其中通入NH3的流量在40～70sccm之间，等离子体的射频功率在40～80W之间，基片温度在200～240℃之间，腔体压强在60～100Pa之间；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜，通入的气体流量为NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，基片温度：200～240℃，等离子体的射频功率在30～50W之间，腔体压强在90～140Pa之间；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积P型非晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：SiH4：15～35sccm，B2H6：20～50sccm，射频功率在80～150W之间，基片温度在180～240℃之间。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备ZnO:Al透明导电薄膜，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1%～5%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度在200～300℃之间，功率在100～200W之间；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备ZnO:Al透明导电薄膜，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比在1%～5%之间，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度在200～300℃之间，功率在100～200W之间；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极，；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备银电极，得到电池。
本发明提供的太阳能电池，综合了异质结太阳能电池的高转化效率、硅量子点的量子效应特性和非晶硅太阳电池低温制备工艺等优异特性于一体。该太阳能电池具有多激子产生效应，能充分利用高能和低能光子，为提高现有的硅基太阳电池转换效率提供了一种很好的解决方法。
与现有的太阳能电池相比，生产能耗可减少20%，光电效率可增加50%至1倍以上，并大大的降低了昂贵的材料费用。因此，本发明将硅量子点应用于异质结太阳能电池中，利用量子点的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，大大加强了异质结太阳能电池中的光生电流，从而提高了太阳能电池的短路电流，具有潜在的应用前景。
附图说明
图1为基于异质结结构的硅量子点太阳电池结构示意图。
图2是金字塔绒面结构。
具体实施方式
本发明提出的硅量子点异质结太阳电池自上而下包括Ag/Al栅形电极7；ZnO:Al透明导电薄膜（P层上）6，起透光作用并作为正面引出电极；P型非晶硅层5；含有硅量子点的氮化硅薄膜层4；N型单晶硅基片3，作为太阳能电池的基区；ZnO:Al透明导电薄膜（N层下）2，阻挡金属Ag或Al与单晶硅N层间的互扩散；Al金属膜背电极1。
其中，ZnO:Al透明导电薄膜6（P层上）厚度在50~120nm之间；P型非晶硅层5厚度在15~25nm之间；含有硅量子点的氮化硅薄膜层4中，氮化硅薄层厚度在20～50nm之间，硅量子点直径在1～6nm之间；N型单晶硅基片3厚度在280～320um之间，带有金字塔绒面结构，金字塔的平均高度在3～8um之间；ZnO:Al透明导电薄膜2（N层下）厚度在80~150nm之间。
上述基于异质结结构的硅量子点太阳电池的制备方法为：
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35～0.38ml和1.56～1.86ml。N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75～85℃恒温水浴内保持45～55分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片3；
（3）对N型单晶硅基片实施NH3等离子体处理5～10分钟，其中通入NH3的流量在40～70sccm之间，等离子体的射频功率在40～80W之间，基片温度在200～240℃之间，腔体压强在60～100Pa之间；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜4，通入的气体流量为NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，基片温度在200～240℃之间，等离子体的射频功率在30～50W之间，腔体压强在90～140Pa之间；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积P型非晶硅薄膜5，其中通入的各气体流量为：SiH4：15～35sccm，B2H6：20～50sccm，射频功率在80～150W之间，基片温度在180～240℃之间。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备ZnO:Al透明导电薄膜6，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比在1%～5%之间，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度在200～300℃之间，功率在100～200W之间；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备ZnO:Al透明导电薄膜2，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比在1%～5%之间，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度在200～300℃之间，功率在100～200W之间；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极，；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备银电极，得到电池；
为进一步阐述本发明的硅量子点异质结太阳电池结构和制备方法，下面通过借助实施实例将更加详细说明本发明。
实施例1：
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35ml和1.86ml。N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75℃恒温水浴内保持45分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片3；
（3）对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片3实施NH3等离子体处理8分钟，其中通入NH3的流量为45sccm，射频功率为40W，基片温度200℃，压强为60Pa；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备厚度为25nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜4，通入的气体流量为NH3：40sccm，SiH4：60sccm，基片温度为200℃，等离子体的射频功率为30W，腔体压强为：93Pa；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积厚度为15nm的P型非晶硅薄膜5，其中通入的各气体流量为：SiH4：15sccm，B2H6：25sccm，射频功率为80W，基片温度为：180℃。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备厚度为55nm的ZnO:Al透明导电薄膜6，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为5%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为200℃，功率为120W；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备厚度为80nm的ZnO:Al透明导电薄膜2，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为5%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为200℃，功率为120W；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极1；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备7，得到电池。
实施例2：
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35ml和1.86ml。N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75℃恒温水浴内保持45分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片3；
（3）对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片3实施NH3等离子体处理8分钟，其中通入NH3的流量为55sccm，射频功率为60W，基片温度220℃，压强为60Pa；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备厚度为35nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜4，通入的气体流量为NH3：50sccm，SiH4：60sccm，基片温度为220℃，等离子体的射频功率为40W，腔体压强为：100Pa；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积厚度为16nm的P型非晶硅薄膜5，其中通入的各气体流量为：SiH4：15sccm，B2H6：25sccm，射频功率为100W，基片温度为：200℃。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备厚度为65nm的ZnO:Al透明导电薄膜6，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为2%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为250℃，功率为150W；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备厚度为92nm的ZnO:Al透明导电薄膜2，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为2%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为250℃，功率为150W；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极1；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备7，得到电池。
实施例3：
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35ml和1.86ml。N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75℃恒温水浴内保持45分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片3；
（3）对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片3实施NH3等离子体处理8分钟，其中通入NH3的流量为65sccm，射频功率为40W，基片温度220℃，压强为70Pa；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备厚度为40nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜4，通入的气体流量为NH3：40sccm，SiH4：70sccm，基片温度为230℃，等离子体的射频功率为40W，腔体压强为：133Pa；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积厚度为18nm的P型非晶硅薄膜5，其中通入的各气体流量为：SiH4：25sccm，B2H6：30sccm，射频功率为100W，基片温度为：220℃。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备厚度为80nm的ZnO:Al透明导电薄膜6，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为4%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为250℃，功率为170W；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备厚度为105nm的ZnO:Al透明导电薄膜2，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为4%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为250℃，功率为170W；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极1；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备7，得到电池。
实施例4：
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35ml和1.86ml。N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75℃恒温水浴内保持45分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片3；
（3）对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片3实施NH3等离子体处理8分钟，其中通入NH3的流量为70sccm，射频功率为70W，基片温度230℃，压强为85Pa；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备厚度为45nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜4，通入的气体流量为NH3：50sccm，SiH4：80sccm，基片温度为230℃，等离子体的射频功率为50W，腔体压强为：133Pa；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积厚度为21nm的P型非晶硅薄膜5，其中通入的各气体流量为：SiH4：30sccm，B2H6：35sccm，射频功率为130W，基片温度为：230℃。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备厚度为100nm的ZnO:Al透明导电薄膜6，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为3%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为290℃，功率为190W；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备厚度为128nm的ZnO:Al透明导电薄膜2，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为3%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为290℃，功率为190W；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极1；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备7，得到电池。
 
实施例5：
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35ml和1.86ml。N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75℃恒温水浴内保持45分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到N型单晶硅基片3；
（3）对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片3实施NH3等离子体处理8分钟，其中通入NH3的流量为65sccm，射频功率为80W，基片温度240℃，压强为100Pa；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备厚度为50nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜4，通入的气体流量为NH3：60sccm，SiH4：80sccm，基片温度为240℃，等离子体的射频功率为50W，腔体压强为：133Pa；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积厚度为25nm的P型非晶硅薄膜5，其中通入的各气体流量为：SiH4：35sccm，B2H6：40sccm，射频功率为145W，基片温度为：240℃。 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备厚度为120nm的ZnO:Al透明导电薄膜6，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为300℃，功率为200W；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备厚度为145nm的ZnO:Al透明导电薄膜2，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1%，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度为300℃，功率为200W；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极1；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备7，得到电池。
以上所述为本发明较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施实例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池，其特征在于：在 N型单晶硅衬底和P型非晶硅层之间是含有硅量子点的氮化硅薄膜层，所述太阳能电池含有的依次相叠的各层为：Ag/Al栅形电极（7）；ZnO:Al透明导电薄膜（6）；P型非晶硅层（5）；含有硅量子点的氮化硅薄膜层（4）；N型单晶硅基片（3）；ZnO:Al透明导电薄膜（2）；Al金属膜背电极（1）；
ZnO:Al透明导电薄膜（6）厚度在50~120nm之间；P型非晶硅层（5）厚度在15~25nm之间；含有硅量子点的氮化硅薄膜层（4）中，氮化硅薄层厚度在20～50nm之间，硅量子点直径在1～6nm之间；N型单晶硅基片（3）厚度在280～320um之间； ZnO:Al透明导电薄膜（2）厚度在80~150nm之间。
2.根据权利要求1所述的含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池，其特征在于，N型单晶硅基片（3）上带有金字塔绒面结构，基片厚度在280～320um之间，金字塔的平均高度在3～8um之间。
3.一种权利要求1或2所述的含有硅量子点的n-i-p异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤： 
（1）清洗N型单晶硅基片；
（2）在N型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液；
其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35～0.38ml和1.56～1.86ml；
N型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75～85℃恒温水浴内保持45～55分钟，形成金字塔的平均高度在3～8um之间，得到具有绒面结构的N型单晶硅基片（3）；
（3）对N型单晶硅基片实施NH3等离子体处理5～10分钟，其中通入NH3的流量在40～70sccm之间，等离子体的射频功率在40～80W之间，基片温度在200～240℃之间，腔体压强在60～100Pa之间；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一侧制备含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜（4），通入的气体流量为NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，基片温度在200～240℃之间，等离子体的射频功率在30～50W之间，腔体压强在90～140Pa之间；
（5）采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积P型非晶硅薄膜（5），其中通入的各气体流量为：SiH4：15～35sccm，B2H6：20～50sccm，射频功率在80～150W之间，基片温度在180～240℃之间； 
（6）采用磁控溅射法在P型非晶硅薄膜上制备ZnO:Al透明导电薄膜（6），溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比在1%～5%之间，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度在200～300℃之间，功率在100～200W之间；
（7）采用磁控溅射法在N型单晶硅基片背面制备ZnO:Al透明导电薄膜（2），溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比在1%～5%之间，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99%，基片温度在200～300℃之间，功率在100～200W之间；
（8）采用丝网印刷技术在电池背面制作铝电极，；
（9）用磁控溅射设备在前表面ZnO:Al透明导电膜上制备银电极，得到电池。
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